JP2010050135A - 半導体光集積素子および光通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い光出力と高い増幅効率とを実現しつつ消光比の劣化を抑制し得る半導体光集積素子を提供する。
【解決手段】半導体光集積素子１は、半導体基板１２Ａと、半導体マッハツェンダー型光変調器１３と、半導体光増幅器１４とを備える。半導体マッハツェンダー型光変調器１３は、入力光を第１分波光と第２分波光とに分離し、第１分波光および第２分波光の少なくとも一方を変調した後に合波して変調光を生成する。半導体光増幅器１４は、マッハツェンダー型光変調器１３から出力された変調光を増幅する。マッハツェンダー型光変調器１３および半導体光増幅器１４は半導体基板１２Ａ上に形成されており、マッハツェンダー型光変調器１３は、半導体光増幅器１４の非飽和利得の１／２から非飽和利得までの範囲内の光挿入損失を発生させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、マッハツェンダー型光変調器を含む半導体光集積素子および光通信装置に関し、特に、半導体光増幅器とマッハツェンダー型光変調器とが同一基板上にモノリシックに集積された半導体光集積素子および光通信装置に関する。

近年、インターネットなどの広域ネットワークの急速な普及に伴って通信トラフィックが増大し、光通信システムの更なる大伝送容量化が要求されている。この要求に応えるために、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）方式による多チャネル通信や、単チャネル当たりの伝送速度の向上が検討されている。伝送速度を向上するには、光信号の高速変調が必要である。

光信号の変調方式としては、半導体レーザ光源への駆動電流を変調する直接変調方式と、外部変調方式という２種類の変調方式が知られている。直接変調方式は、外部の変調器を必要としないので装置構成が安価で簡単になるという利点を有する。しかしながら、半導体レーザ光源の応答速度の限界により変調帯域が制限されるという欠点や、光出力が波長変動（チャーピング）するので波長分散のある伝送路を長距離伝送できないという欠点がある。

外部変調方式は、半導体レーザ光源から出力されたＣＷ光（Continuous Wave Light：光強度が一定に維持された光）を外部変調器を用いて変調する方式である。外部変調器としては、ＬｉＮｂＯ_３結晶を材料とするマッハツェンダー型光変調器（以下、「ＬＮ変調器」と呼ぶ。）が広く使用されており、このＬＮ変調器により、１０Ｇｂ／ｓや４０Ｇｂ／ｓという伝送速度を実現し得る光伝送システムが実用化されている。しかしながら、ＬＮ変調器は、５Ｖ以上の高い駆動電圧と、約１０ｃｍ以上の大きな装置サイズとを必要とするという問題がある。

一方、ＩｎＰやＧａＡｓなどの半導体材料を用いて構成されたマッハツェンダー型光変調器（以下、「半導体ＭＺ変調器」と呼ぶ。）は、２Ｖ程度の小さな駆動電圧しか必要とせず、集積化により数ｍｍ程度の小さな装置サイズを実現することができる。しかしながら、半導体ＭＺ変調器と光ファイバとの結合損失がＬＮ変調器のそれよりも大きく、半導体ＭＺ変調器の導波路での光損失も大きい。すなわち、半導体ＭＺ変調器の挿入損失が大きいという課題がある。この挿入損失を補償するために一般に光増幅器が併用されている。半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）を使用する場合、この半導体光増幅器と半導体ＭＺ変調器とを同一基板上にモノリシックに集積した構造を実現することができる。このような構造は、たとえば、特許文献１（特開２００１−３２０１２７号公報）や特許文献２（特開２００６−１７１３６９号公報）に開示されている。

半導体ＭＺ変調器としては、電気光学効果や量子閉じ込めシュタルク効果による屈折率変化を利用した光変調器が知られている。半導体ＭＺ変調器に関する先行技術文献としては、たとえば、特許文献３（特開２０００−２５８７３９号公報）が挙げられる。
特開２００１−３２０１２７号公報（図１６） 特開２００６−１７１３６９号公報（図１） 特開２０００−２５８７３９号公報

特許文献１には、半導体ＭＺ変調器の前段にＳＯＡを有する光変調装置が開示されている。図１は、この光変調装置１００の概略構成を示す図である。図１に示される光変調装置１００は、半導体レーザ光源１０１、ＳＯＡ１０４および半導体ＭＺ変調器１０３を有する。ＳＯＡ１０４と半導体ＭＺ変調器１０３は同一の半導体基板１０２上に集積されている。半導体ＭＺ変調器１０３は、図１に示されるように、光分波器１０５、第１位相変調領域１０６、第２位相変調領域１０７および光結合器１０８を含む。

ＳＯＡ１０４は、半導体レーザ光源１０１から供給されたＣＷ光を増幅し、その増幅光を半導体ＭＺ変調器１０３に与える。光分波器１０５は、ＳＯＡ１０４から伝搬された光を２つの分波光に分離する。第１位相変調領域１０６は、光分波器１０５で分離された２つの分波光のうち一方の分波光を位相変調した後に光結合器１０８に入力させる。並行して、第２位相変調領域１０７は、他方の分波光を位相変調した後に光結合器１０８に入力させる。そして、光結合器１０８は、第１位相変調領域１０６の出力光と第２位相変調領域１０７の出力光とを合波する。第１位相変調領域１０６と第２位相変調領域１０７にそれぞれ印加する電界を制御することで、第１位相変調領域１０６を伝搬する分波光と、第２位相変調領域１０７を伝搬する分波光とを個別に位相変調できるので、これら分波光間に位相差を与えることができる。光結合器１０８では、その位相差に応じた分波光の干渉状態が形成される。

しかしながら、ＳＯＡ１０４は、飽和パワー以上の光出力を与えることができない特性を有するので、ＳＯＡ１０４から半導体ＭＺ変調器１０３への入力光のパワーは、ＳＯＡ１０４の固有の飽和パワーに制限される。また、半導体ＭＺ変調器１０３の導波路構造による光損失（光挿入損失）もある。このため、光変調装置１００は、所望のパワーの変調光を出力できない場合がある。

また、ＳＯＡ１０４を飽和パワー出力の状態で動作させると、ＳＯＡ１０４への投入エネルギーの一部を増幅に使用されないため、エネルギー効率が低下する。このように、図１の構成では、変調光のパワーが制限されたり、光増幅のエネルギー効率が低下したりする課題があった。特に、半導体ＭＺ変調器１０３の光挿入損失が大きい場合には、この課題が与える影響は無視できないものとなる。将来、通信容量の大容量化が進み、光変調フォーマットもより複雑化したときに、かかる課題が与える影響は大きいと予測される。

図２は、特許文献２に開示されている光変調装置の構成を概略的に示す図である。図２に示される光変調装置２００は、光分波器２０５、第１位相変調領域２０６、第２位相変調領域２０７、第１半導体光増幅器（第１ＳＯＡ）２２１、第２半導体光増幅器（第２ＳＯＡ）２２２および光結合器２０８を有する。これら構成要素２０５〜２０８，２２１〜２２２は半導体基板２０２上に集積されている。光分波器２０５、第１位相変調領域２０６、第２位相変調領域２０７および光結合器２０８によって半導体ＭＺ変調器が構成される。

光分波器２０５は、半導体レーザ光源２０１から供給されたＣＷ光を２つの分波光に分離する。第１位相変調領域２０６は、光分波器２０５で分離された２つの分波光のうち一方の分波光を位相変調し、その変調光は、第１ＳＯＡ２２１によって増幅される。並行して、第２位相変調領域２０７は他方の分波光を位相変調し、その変調光は、第２ＳＯＡ２２２によって増幅される。そして、光結合器２０８は、第１ＳＯＡ２２１の出力光と第２ＳＯＡ２２２の出力光とを合波する。

図２の光変調装置２００では、第１位相変調領域２０６と第２位相変調領域２０７とでそれぞれ位相変調された光が増幅されるので、半導体ＭＺ変調器への入力光（光分波器２０５への入力光）のパワーは、第１ＳＯＡ２２１と第２ＳＯＡ２２２の飽和パワーによる制限を受けないという利点がある。よって、高い光出力と高い増幅効率を実現することができる。しかしながら、この光変調装置２００の構成では、第１ＳＯＡ２２１と第２ＳＯＡ２２２の構造や駆動状態に差がある場合には、光結合器２０８において増幅された分波光の干渉状態を制御することができず、光変調器の特性である消光比（オフ状態の光強度に対するオン状態の光強度の比率、あるいは、光出力パワーの最小値に対する最大値の比率）が悪化するという問題がある。

上述した図１および図２の構造の他に、半導体ＭＺ変調器の後段にＳＯＡを配置して、半導体ＭＺ変調器の出力光をＳＯＡにより増幅させる構造も考えられる。しかしながら、この構造には、半導体ＭＺ変調器の出力光の信号波形が、光入力に対するＳＯＡの非線形効果に起因して大きく歪む現象（パターン効果）が現れるという問題がある。

上記に鑑みて本発明は、半導体ＭＺ変調器と半導体光増幅器とが同一基板上に集積された構造を採用した場合であっても、高い光出力と高い増幅効率とを実現しつつ消光比の劣化を抑制し得る半導体光集積素子および光通信装置を提供するものである。

本発明によれば、半導体基板と、入力光を第１分波光と第２分波光とに分離し、前記第１分波光および前記第２分波光の少なくとも一方を変調した後に合波して変調光を生成するマッハツェンダー型光変調器と、前記マッハツェンダー型光変調器から出力された前記変調光を増幅する半導体光増幅器と、を備えた第１の半導体光集積素子が提供される。この第１の半導体光集積素子では、前記マッハツェンダー型光変調器は、前記半導体光増幅器の非飽和利得の１／２から前記非飽和利得までの範囲内の光挿入損失を発生させる導波路構造を有する。

また、本発明によれば、半導体基板と、入力光を第１分波光と第２分波光とに分離する分波器と、前記第１分波光をさらに第３分波光と第４分波光とに分離し、前記第３分波光および前記第４分波光の少なくとも一方を変調した後に合波して第１の変調光を生成する第１のマッハツェンダー型光変調器と、前記第２分波光をさらに第５分波光と第６分波光とに分離し、前記第５分波光および前記第６分波光の少なくとも一方を変調した後に合波して第２の変調光を生成する第２のマッハツェンダー型光変調器と、前記第１の変調光と前記第２の変調光とを合波する光結合器と、前記光結合器から出力された合波光を増幅する第１の半導体光増幅器と、を備えた第２の半導体光集積素子が提供される。この第２の半導体光集積素子では、前記第１のマッハツェンダー型光変調器、前記第２のマッハツェンダー型光変調器、前記光結合器および前記第１の半導体光増幅器が前記半導体基板上に形成されており、前記第１および第２のマッハツェンダー型光変調器は、前記第１の半導体光増幅器の非飽和利得の１／２から前記非飽和利得までの範囲内の光挿入損失を発生させる導波路構造を有する。

さらに、本発明によれば、前記第１の半導体光集積素子または第２の半導体光集積素子を内蔵する光通信装置が提供される。

本発明による第１の半導体光集積素子は、マッハツェンダー型光変調器で変調された光を増幅する半導体光増幅器を有しているが、マッハツェンダー型光変調器は、半導体光増幅器の非飽和利得の１／２から当該非飽和利得までの範囲内の光挿入損失を発生させる導波路構造を有する。マッハツェンダー型光変調器の光挿入損失を非飽和利得の１／２以上とすることで、半導体光増幅器の光利得が飽和状態になることが回避されるので、エネルギー効率が高い駆動条件を使用することができる。しかも、光挿入損失を非飽和利得以下とすることで、オーバーシュートなどの光波形の歪みを抑制できる。よって、高い光出力と消光比の劣化抑制とが実現可能である。

本発明による第２の半導体光集積素子は、分波器と第１および第２のマッハツェンダー型光変調器と光結合器とからなる光変調回路で変調された光を増幅する第１の半導体光増幅器を有しているが、光変調回路は、第１の半導体光増幅器の非飽和利得の１／２から当該非飽和利得までの範囲内の光挿入損失を発生させる導波路構造を有する。この光変調回路の光挿入損失を非飽和利得の１／２以上とすることで、第１の半導体光増幅器の利得飽和現象を回避できるので、エネルギー効率が高い駆動条件を使用することができる。しかも、光挿入損失を非飽和利得以下とすることで、オーバーシュートなどの光波形の歪みを抑制できる。よって、高い光出力と消光比の劣化抑制とが実現可能である。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同一符号を付し、その詳細な説明は重複しないように適宜省略される。

（第１の実施形態）
図３は、本発明に係る第１の実施形態の半導体光集積素子１の構成を概略的に示す図である。この半導体光集積素子１は、半導体レーザ光源１１Ｈ、半導体マッハツェンダー型光変調器（半導体ＭＺ変調器）１３および半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）１４を有する。半導体ＭＺ変調器１３とＳＯＡ１４とは半導体基板１２Ａ上に集積されている。半導体レーザ光源１１Ｈは、半導体基板１２Ａの外部の領域に配置されている。半導体光集積素子１は、ＩｎＰやＧａＡｓなどの化合物半導体材料を用いて作製することができる。

半導体ＭＺ変調器１３は、半導体レーザ光源１１Ｈと光ファイバやレンズ系により光学的に結合されている。半導体ＭＺ変調器１３は、半導体レーザ光源１１Ｈから伝搬した入力光を２つの分波光に分離し、これら分波光をそれぞれ位相変調した後に合波して変調光を生成するものである。ＳＯＡ１４は、半導体ＭＺ変調器１３から出力された変調光を増幅する機能素子である。半導体ＭＺ変調器１３は、ＳＯＡ１４の非飽和利得Ｇ０の１／２（＝Ｇ０／２）から当該非飽和利得Ｇ０の範囲（Ｇ０／２〜Ｇ０の範囲）内の光挿入損失αＭを発生させる導波路構造を有するように設計される。

図３に示されるように、半導体ＭＺ変調器１３は、光分波器１５、第１位相変調領域１６、第２位相変調領域１７および光結合器１８を含む。光分波器１５は、２つの入射側光導波路２１，２２にそれぞれ光学的に接続された２つの入力ポートと、２つの出射側光導波路２３，２４にそれぞれ光学的に接続された２つの出力ポートとを有している。光分波器１５は、光導波路２１を伝搬した入力光を２つの分波光に分離し、これら分波光のうち一方の分波光を光導波路２３に出力し、他方の分波光を光導波路２４に出力する。

第１位相変調領域１６と第２位相変調領域１７は、それぞれに印加された外部電界に応じて入射光を変調する機能を有する。第１位相変調領域１６と第２位相変調領域１７の構成としては、電気光学効果や量子閉じ込めシュタルク効果による屈折率変化を利用した公知の半導体位相変調器で構成すればよい。

第１位相変調領域１６の出力光は、光導波路２５を伝搬して光結合器１８の２つの入力ポートの一方に入力され、第２位相変調領域１７の出力光は、光導波路２６を伝搬して光結合器１８の他方の入力ポートに入力される。

光結合器１８は、２つの入射側光導波路２５，２６にそれぞれ光学的に接続された２つの入力ポートと、２つの出射側光導波路２７，２８にそれぞれ光学的に接続された２つの出力ポートとを有している。光結合器１８は、第１位相変調領域１６と第２位相変調領域１７とからの伝搬光を合波してこれら伝搬光を干渉させる。この結果得られた強度変調光が、光導波路２７を伝搬して光導波路２９に入力される。そして、ＳＯＡ１４は、光導波路２７からの伝搬光を増幅し、その増幅光を光導波路２９を介して外部に出力する。

上記半導体光集積素子１は、たとえば、以下の工程により作製できる。まず、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法などの結晶成長技術により、ＩｎＰ基板の全面に、ＳＯＡ１４の活性層となるべきＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸を含むコア層を形成する。ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸層は、その禁止帯（バンドギャップ）を調整することにより、使用する光波長（たとえば、一般に光通信で用いられる１．５５μｍ帯）において光増幅機能を有する。

次に、前記ＩｎＰ基板においてＳＯＡ１０４を形成すべき領域以外の部分を、半導体エッチング技術により除去する。次に、ＭＯＶＰＥ法などの結晶成長技術により、当該除去された部分に、第１位相変調領域１６と第２位相変調領域１７の活性層となるべきＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸層を含むコア層を形成する。このとき、ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸のバンドギャップや、量子井戸数や、量子井戸幅といったパラメータは、第１位相変調領域１６と第２位相変調領域１７が位相変調器として動作するよう設定される。なお、一般的に、位相変調領域の活性層は、使用する光波長において増幅も光損失もできるだけ発生しないバンドギャップを有するように構成されるが、半導体光集積素子１は化合物半導体で構成されるため、ある一定程度の光損失が発生する。以上のような、バンドギャップの異なる半導体コア層を同一半導体基板上に形成する技術を、バットジョイント技術といい、公知の技術である。

次に、全体の上部に半導体クラッド層（光がコア層からしみ出す領域）を結晶成長させ、その後、コア層をエッチングすることで、光導波路２１〜２９、光分波器１５および光結合器１８を形成する。次いで、全体を二酸化硅素（ＳｉＯ_２）のような絶縁膜で被覆する。その後、この絶縁膜のうち、ＳＯＡ１４、第１位相変調領域１６および第２位相変調領域１７が形成されるべき領域の上部をそれぞれ開口し、その開口部に金属膜を堆積させることにより、ＳＯＡ１４、第１位相変調領域１６および第２位相変調領域１７が形成される。

上記半導体光集積素子１が奏する作用効果について以下に説明する。

半導体光集積素子１は、半導体ＭＺ変調器１３で変調された光を増幅するＳＯＡ１４を有しているが、半導体ＭＺ変調器１３は、ＳＯＡ１４の非飽和利得Ｇ０の１／２（＝Ｇ０／２）から当該非飽和利得Ｇ０までの範囲内の光挿入損失αＭを発生させる導波路構造を有する。光挿入損失αＭをＧ０／２以上とすることで、ＳＯＡ１４の利得飽和現象を回避できるので、エネルギー効率が高い駆動条件を使用することができる。また、光挿入損失αＭをＧ０以下とすることで、オーバーシュートなどの光信号波形の歪みを効果的に抑制し、パターン効果を抑制することができる。よって、高い光出力と消光比の劣化抑制とが実現可能である。

図４（Ａ）は、図１に示したように半導体ＭＺ変調器１０３の前段にＳＯＡ１０４を形成した場合に、ＳＯＡ１０４の領域（ＳＯＡ領域）と半導体ＭＺ変調器１０３の領域（ＭＺＭ領域）における光パワー（単位：ｄＢ）の変化の様子を概略的に示すグラフである。図４（Ａ）に示されるように、ＳＯＡ領域での光パワーは、入射時のパワーＩＰ１から上昇した後、飽和パワーＳＰに達して飽和してしまう。ＭＺＭ領域での光パワーは、飽和パワーＳＰから減衰して光出力レベルＯＰ１となる。光パワーが飽和している間、ＳＯＡ１０４への投入エネルギーは増幅に寄与しない。

これに対し、図４（Ｂ）は、図３に示したように半導体ＭＺ変調器１３の後段にＳＯＡ１４を形成した場合に、半導体ＭＺ変調器１３の領域（ＭＺＭ領域）とＳＯＡ１４の領域（ＳＯＡ領域）における光パワー（単位：ｄＢ）の変化の様子を概略的に示すグラフである。図４（Ｂ）に示されるように、ＭＺＭ領域での光パワーは減衰する。その後、ＳＯＡ領域で光パワーは上昇するが、飽和パワーＳＰに達することなく光出力レベルＯＰ２となる。よって、図１の光変調装置１００よりも本実施形態の半導体光集積素子１の方が、光出力を向上させ、投入エネルギーに対する効率が高いことが分かる。

次に、半導体ＭＺ変調器（ＭＺＭ）１３の挿入損失αＭとＳＯＡ１４の非飽和利得Ｇ０との間の関係について説明する。図５は、挿入損失αＭと非飽和利得Ｇ０との間の関係を概略的に示すグラフである（単位：ｄＢ）。図５に示されるように、グラフの縦軸は、ＳＯＡ１４の非飽和利得Ｇ０を示し、グラフの横軸は、挿入損失αＭを示している。グラフ中、領域Ａは、αＭ＜Ｇ０×（１／２）の条件を満たす領域を、領域Ｃは、αＭ＞Ｇ０の条件を満たす領域を、領域Ｂは、Ｇ０×（１／２）≦αＭ≦Ｇ０の条件を満たす領域を、それぞれ示している。

ここで、利得飽和とは、ある強度を超えた強度の光がＳＯＡに入力されると、誘導放出によりキャリア密度が減少し、光利得が減少する現象をいう。この利得飽和により、ＳＯＡの光出力パワーは光入力パワーに関して線形で増加できない。非飽和利得は、利得飽和が生じていない理想的な場合の利得をいうので、図５のグラフの縦軸は、ＳＯＡ１４への投入エネルギーに比例するものである。なお、ＳＯＡ１４の利得は、ＳＯＡ１４への投入エネルギーで決まる非飽和利得であることが理想ではあるが、実際には、ＳＯＡ１４への光入力パワーが大きければ、ＳＯＡ１４の利得はある程度飽和している。

このような利得飽和は、ＳＯＡ１４への光入力パワーＰｉｎ（単位：ｄＢｍ）がある値（一般的には、−１０ｄＢｍ〜−１５ｄＢｍ）を超えると、光入力パワーＰｉｎが増加するほどに飽和する。このとき、ＳＯＡ１４の利得が、光入力パワーＰｉｎの増加分ΔＰｉｎの大きさを超えた大きさで減少することは起こりえないため、非飽和利得Ｇ０からの利得減少分（飽和分）は、最大で−ΔＰｉｎであると考えられる。すなわち、飽和利得（単位：ｄＢ）＝Ｇ０−ΔＰｉｎ、という式が成立する。実際に図３の構成について実験を行ったところ、ＳＯＡ１４の飽和利得は、Ｇ０−０．６×ΔＰｉｎからＧ０−０．７×ΔＰｉｎの範囲内であった。なお、単位ｄＢｍは、１ミリワット（ｍＷ）を基準とした場合の光パワーのデシベル表示をいい、Ｐｉｎ（ｄＢｍ）＝１０×ｌｏｇ_１０［Ｐｉｎ（ｍＷ）／１ｍＷ］、である。１ｍＷは０ｄＢｍを意味する。

図３の構成は、図１の構成と比べると、「１」に対応するオン状態の光出力パワーと、「０」に対応するオフ状態の光出力パワーとを時間的にほぼ同じ割合で出現させることができる。それ故、ＳＯＡ１４の利得が非飽和利得の場合には、出力光の平均出力パワーを、ほぼ１／２に対応付けることが可能である。

半導体ＭＺ変調器１３とＳＯＡ１４がαＭ＜Ｇ０×（１／２）の条件を満たすように構成されている場合（図５の領域Ａの場合）、光挿入損失αＭは、ＳＯＡ１４の非飽和利得Ｇ０と比べて低くなり過ぎ、ＳＯＡ１４は、光出力パワーを完全に飽和させてしまう。この場合、図３の構成では、１／２に対応する平均出力パワーが不利に働くので、図１の構成と比べて投入エネルギーに対する効率が低くなる。したがって、図３の構成よりも図１の構成の方が有利であるといえる。

半導体ＭＺ変調器１３とＳＯＡ１４がＧ０×（１／２）≦αＭの条件を満たすように構成されている場合、光挿入損失αＭは、ＳＯＡ１４の非飽和利得Ｇ０に対して最適化されるので、ＳＯＡ１４は、非飽和利得状態で動作することができる。すなわち、ＳＯＡ１４への光入力パワーに起因して光利得が減少する現象を回避することができる。一方、Ｇ０×（１／２）≦αＭという条件は、図１の構成において完全に利得飽和させてしまう。すなわち、前述の非飽和利得の減少分ΔＰｉｎはこの場合、αＭと等価であるから、図１の構成の非飽和利得の減少分は、−αＭとなる。半導体ＭＺ変調器１０３の挿入損失分−αＭを考慮すると、図１の構成全体の飽和利得は、Ｇ０−αＭ−αＭ＝Ｇ０−２×αＭ、となる。よって、図１の構成において利得が得られなくなる条件（すなわち、光出力パワーを完全に飽和させる条件）として、Ｇ０−２×αＭ≦０、すなわち、Ｇ０×（１／２）≦αＭとの条件が得られる。

また、半導体ＭＺ変調器１３とＳＯＡ１４がαＭ≦Ｇ０の条件を満たすように構成されている場合、ＳＯＡ１４の出力光の信号波形の歪みを適度に抑制することができる。αＭ＞Ｇ０の場合、オン状態の光信号波形に過剰なオーバーシュートが発生し、光信号レベルが適正レベルの１．２５倍にも達し、許容レベルを超えることが確認された。αＭ≦Ｇ０の条件を満たせば、このようなオーバーシュートの抑制が可能となる。

図６は、図３の構成（ＭＺＭ入力）と図１の構成（ＳＯＡ入力）についての受信パワーとビットエラーレートの測定結果との関係を示すグラフである。レーザ光源波長（λ）は１５５０ナノメートル、ＭＺ変調器への光入力パワー（Ｐｉｎ）は１０ｄＢｍとされた。また、このグラフは、図５の領域Ｂの条件下で得られたものである。図６に示されるように、図１の構成よりも図３の構成の方が優れていることが分かる。また、図３の構成では、パターン効果により、受信信号の波形に適正レベルの１．２５倍未満のオーバーシュートが発生したことが確認されたが、このオーバーシュートは、通信システム上問題が発生する程度のものではなかった。実際に当該受信信号を電気的フィルタに透過させて得た信号には、実効的に図１の構成よりも開いたアイパターンが確認された。よって、図３の構成を使用すれば、図１の構成を使用した場合と比べて、約１ｄＢ高い受信感度が得られた。

図７は、上記第１の実施形態の変形例である半導体光集積素子２の構成を概略的に示す図である。この半導体光集積素子２は、半導体レーザ光源１１Ｍ、半導体ＭＺ変調器１３およびＳＯＡ１４を有しており、これら半導体レーザ光源１１Ｍ、半導体ＭＺ変調器１３およびＳＯＡ１４は半導体基板１２Ｂ上にモノリシックに集積されている。第１の実施形態の半導体光集積素子１と比べると、装置サイズの小型化が可能である。半導体レーザ光源１１Ｍとしては、公知の分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback）レーザや、公知の分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）レーザが挙げられる。

（第２の実施形態）
次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。図８は、第２の実施形態の半導体光集積素子３の構成を概略的に示す図である。この半導体光集積素子３は、外部共振器型レーザ光源３６、半導体ＭＺ変調器１３およびＳＯＡ１４を有する。半導体ＭＺ変調器１３とＳＯＡ１４は半導体基板１２Ｃ上に集積されている。

外部共振器型レーザ光源３６は、外部反射鏡３１、光学レンズ３２、利得領域３３、位相調整領域３４および内部反射鏡３５を含む。利得領域３３、位相調整領域３４および内部反射鏡３５は、半導体基板１２Ｃ上に集積されているが、外部反射鏡３１と光学レンズ３２は、半導体基板１２Ｃの外部の領域に配置されている。外部反射鏡３１と内部反射鏡３５は、光を閉じ込めるファブリ・ペロー型の光共振器を構成するものである。光共振器内には、利得領域３３と位相調整領域３４とが配置されている。光学レンズ３２は、利得領域３３の導波路端面と外部反射鏡３１とを光学的に結合する。

利得領域３３に駆動電流が供給されると、利得領域３３の利得媒質が励起されて光共振器内に光を放出する。光学レンズ３２と外部反射鏡３１との間には、波長選択フィルタであるエタロンを配置してもよい。半導体ＭＺ変調器１３は、内部反射鏡３５から出力されたレーザ光を変調することとなる。

内部反射鏡３５は、半導体基板１２Ｃ上に形成された化合物半導体からなる導波路構造をドライエッチングして溝を形成することで形成される。この溝の側面を端面反射鏡として使用することができる。

第２の実施形態の半導体光集積素子３の構造は、内部反射鏡３５が半導体基板１２Ｃ上に集積されているので、装置サイズの小さな外部共振器型レーザを提供することが可能である。

（第３の実施形態）
次に、本発明に係る第３の実施形態について説明する。図９は、第３の実施形態の半導体光集積素子４の構造を概略的に示す図である。この半導体光集積素子４は、ＤＱＰＳＫ光変調器４７、第１ＳＯＡ４１、半導体ＭＺ変調器１３および第２ＳＯＡ４２を有し、これらは半導体基板１２Ｄ上に集積されている。半導体ＭＺ変調器１３は、ＲＺ（Return to Zero）変調器として機能する。このＲＺ変調器１３をＤＱＰＳＫ光変調器４７よりも後段に配置する理由は、変調信号の周波数帯域内におけるスペクトルの広がりを抑圧し、隣接チャネル間のクロストークを低減するためである。半導体光集積素子４は、ＩｎＰやＧａＡｓなどの化合物半導体材料を用いて作製することができる。

ＤＱＰＳＫ光変調器４７は、入射光に対して差動４値位相変調（Differential QPSK）を行う機能を有している。ＤＱＰＳＫ光変調器４７は、光分波器６１、第１半導体ＭＺ変調器４４、第２半導体ＭＺ変調器４５および光結合器６６を含む。

光分波器６１は、光導波路６０を伝搬した入力光を２つの分波光に分離し、これら分波光のうち一方の分波光を光導波路６２に出力し、他方の分波光を光導波路６３に出力する。

第１半導体ＭＺ変調器４４は、光導波路６２を伝搬した入力光を２つの分波光に分離し、これら分波光をそれぞれ位相変調した後に合波して変調光を生成し、光導波路６４に出力する。第２半導体ＭＺ変調器４５は、光導波路６３を伝搬した入力光を２つの分波光に分離し、これら分波光をそれぞれ位相変調した後に合波して変調光を生成し、光導波路８７に出力する。位相シフタ４３は、第２半導体ＭＺ変調器４５の出力ポートと、光結合器６６の２つの入力ポートのうちの一方との間に介在しており、第２半導体ＭＺ変調器４５の出力光の位相をπ／２だけずらし、その結果得られた変調光を光導波路６５に出力する。そして、光結合器６６は、光導波路６４を伝搬した変調光と光導波路６５を伝搬した変調光とを合波する。第１半導体ＭＺ変調器４４と第２半導体ＭＺ変調器４５の各々は、互いに位相がπ（１８０°）ずれた２値の位相状態を表す光信号を生成し得る。それ故、第１半導体ＭＺ変調器４４の出力光と第２半導体ＭＺ変調器４５の出力光との間の位相をπ／２（９０°）ずらすことで、０、π/２、π、３π/２の４値のうちのいずれかの位相状態を表すＤＱＰＳＫ信号が得られる。

第１ＳＯＡ４１は、ＤＱＰＳＫ光変調器４７から出力された変調光（ＤＱＰＳＫ信号）を増幅する機能素子である。ＤＱＰＳＫ光変調器４７は、第１ＳＯＡ４１の非飽和利得Ｇ０の１／２（＝Ｇ０／２）から当該非飽和利得Ｇ０の範囲（Ｇ０／２〜Ｇ０の範囲）内の光挿入損失αＭを発生させる導波路構造を有するように設計される。光挿入損失αＭをＧ０／２以上とすることで、第１ＳＯＡ４１の利得飽和現象を回避できるので、エネルギー効率が高い駆動条件を使用することができる。また、光挿入損失αＭをＧ０以下とすることで、オーバーシュートなどの光信号波形の歪みを効果的に抑制し、パターン効果を抑制することができる。

なお、第１半導体ＭＺ変調器４４と第２半導体ＭＺ変調器４５は、それぞれ、半導体ＭＺ変調器１３（図３）と同じ構造を有している。すなわち、第１半導体ＭＺ変調器４４は、光分波器５６、位相変調領域５１，５２および光結合器５７を含む。光分波器５６は、２つの入射側光導波路７１，７２にそれぞれ光学的に接続された２つの入力ポートと、２つの出射側光導波路７３，７４にそれぞれ光学的に接続された２つの出力ポートとを有している。光分波器５６は、光導波路７２を伝搬した入力光を２つの分波光に分離し、これら分波光のうち一方の分波光を光導波路７３に出力し、他方の分波光を光導波路７４に出力する。位相変調領域５１と位相変調領域５２は、それぞれに印加された外部電界に応じて入射光を変調する機能を有しており、電気光学効果や量子閉じ込めシュタルク効果による屈折率変化を利用した公知の半導体位相変調器で構成されている。位相変調領域５１の出力光は、光導波路７５を伝搬して光結合器５７の２つの入力ポートの一方に入力され、位相変調領域５２の出力光は、光導波路７６を伝搬して光結合器５７の他方の入力ポートに入力される。

光結合器５７は、２つの入射側光導波路７５，７６にそれぞれ光学的に接続された２つの入力ポートと、２つの出射側光導波路７７，７８にそれぞれ光学的に接続された２つの出力ポートとを有している。光結合器５７は、位相変調領域５１，５２からの伝搬光を合波してこれら伝搬光を干渉させる。この結果得られた強度変調光が、光導波路７８を伝搬して光導波路６４に入力される。

第２半導体ＭＺ変調器４５は、光分波器５８、位相変調領域５３，５４、光結合器５９および光導波路８１〜８８を含むが、これらは、第１半導体ＭＺ変調器４４を構成する光分波器５６、位相変調領域５１，５２、光結合器５７および光導波路７１〜７８と同じ構造を有する。

後段の半導体ＭＺ変調器１３でＲＺ変調された光信号は、第２ＳＯＡ４２に出力される。第２ＳＯＡ４２は、半導体ＭＺ変調器１３から出力された変調光を増幅する機能素子である。半導体ＭＺ変調器１３は、第２ＳＯＡ４２の非飽和利得Ｇ１の１／２（＝Ｇ１／２）から当該非飽和利得Ｇ１の範囲（Ｇ１／２〜Ｇ１の範囲）内の光挿入損失αＭ１を発生させる導波路構造を有するように設計される。光挿入損失αＭ１をＧ１／２以上とすることで、第２ＳＯＡ４２の利得飽和現象を回避できるので、エネルギー効率が高い駆動条件を使用することができる。また、光挿入損失αＭ１をＧ１以下とすることで、オーバーシュートなどの光信号波形の歪みを効果的に抑制し、パターン効果を抑制することができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、上記第１〜第３の実施形態の半導体光集積素子１〜４は、光変調器内蔵型の光通信用光源として使用することができ、光通信装置に内蔵され得る。幹線系、メトロ系またはアクセス系といった中距離・長距離伝送用の光通信ネットワークに使用することが可能である。

上記第１〜第３の実施形態は本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。たとえば、上記第１〜第３の実施形態のマッハツェンダー型光変調器は、いずれも、２つの分波光をそれぞれ変調するために２つの位相変調領域を有しているが、これに限定されるものではない。各マッハツェンダー型光変調器が２つの分波光のうち一方のみを変調するための位相変調領域を有する形態もあり得る。

上記第３の実施形態のＤＱＰＳＫ光変調器４７は、２つの半導体ＭＺ変調器４４，４５が並列接続された構造を有し、ＤＱＰＳＫ方式による位相変調を実現するものであるが、これに限定されるものではない。多値位相変調を実現するために３個以上の半導体ＭＺ変調器が並列接続された形態もあり得る。

上記第３の実施形態の半導体光集積素子４は、半導体レーザ光源を有していないが、これに限らず、図３、図７または図８に示すような半導体レーザ光源１１Ｈ，１１Ｍ，３６を有していてもよい。

従来の光変調装置の構成を概略的に示す図である。 従来の光変調装置の構成を概略的に示す図である。 本発明に係る第１の実施形態の半導体光集積素子の構成を概略的に示す図である。 ＳＯＡの領域（ＳＯＡ領域）と半導体ＭＺ変調器の領域における光パワー（単位：ｄＢ）の変化の様子を概略的に示すグラフである。 挿入損失αＭと非飽和利得Ｇ０との間の関係を概略的に示すグラフである。 受信パワーとビットエラーレートの測定結果との関係を示すグラフである。 第１の実施形態の変形例である半導体光集積素子の構成を概略的に示す図である。 本発明に係る第２の実施形態の半導体光集積素子の構成を概略的に示す図である。 本発明に係る第３の実施形態の半導体光集積素子の構造を概略的に示す図である。

符号の説明

１，２，３，４ 半導体光集積素子
１１Ｈ，１１Ｍ 半導体レーザ光源
１２Ａ〜１２Ｄ 半導体基板
１３，４４，４５ 半導体マッハツェンダー型光変調器（半導体ＭＺ変調器）
１４ 半導体光増幅器（ＳＯＡ）
１５，５６，５８，６１ 光分波器
１６ 第１位相変調領域
１７ 第２位相変調領域
１８，５７，５９，６６ 光結合器
２１〜２９，６０，６２〜６５，７１〜７８，８１〜８８ 光導波路
３１ 外部反射鏡
３２ 光学レンズ（コンデンサレンズ）
３３ 利得領域
３４ 位相調整領域
３５ 内部反射鏡
３６ 外部共振器型レーザ光源
４１ 第１半導体光増幅器（第１ＳＯＡ）
４２ 第２半導体光増幅器（第２ＳＯＡ）
４３ 位相シフタ
４７ ＤＱＰＳＫ光変調器
５１〜５４ 位相変調領域

Claims (10)

1. 半導体基板と、
   入力光を第１分波光と第２分波光とに分離し、前記第１分波光および前記第２分波光の少なくとも一方を変調した後に合波して変調光を生成するマッハツェンダー型光変調器と、
   前記マッハツェンダー型光変調器から出力された前記変調光を増幅する半導体光増幅器と、
   を備え、
   前記マッハツェンダー型光変調器および前記半導体光増幅器が前記半導体基板上に形成されており、
   前記マッハツェンダー型光変調器は、前記半導体光増幅器の非飽和利得の１／２から前記非飽和利得までの範囲内の光挿入損失を発生させる導波路構造を有する、半導体光集積素子。
2. 半導体基板と、
   入力光を第１分波光と第２分波光とに分離する分波器と、
   前記第１分波光をさらに第３分波光と第４分波光とに分離し、前記第３分波光および前記第４分波光の少なくとも一方を変調した後に合波して第１の変調光を生成する第１のマッハツェンダー型光変調器と、
   前記第２分波光をさらに第５分波光と第６分波光とに分離し、前記第５分波光および前記第６分波光の少なくとも一方を変調した後に合波して第２の変調光を生成する第２のマッハツェンダー型光変調器と、
   前記第１の変調光と前記第２の変調光とを合波する光結合器と、
   前記光結合器から出力された合波光を増幅する第１の半導体光増幅器と、
   を備え、
   前記第１のマッハツェンダー型光変調器、前記第２のマッハツェンダー型光変調器、前記光結合器および前記第１の半導体光増幅器が前記半導体基板上に形成されており、
   前記分波器と、前記第１および第２のマッハツェンダー型光変調器と、前記光結合器とからなる光変調回路は、前記第１の半導体光増幅器の非飽和利得の１／２から前記非飽和利得までの範囲内の光挿入損失を発生させる導波路構造を有する、半導体光集積素子。
3. 請求項２に記載の半導体光集積素子であって、前記第２のマッハツェンダー型光変調器の出力ポートと前記光結合器の２つの入力ポートのうちの一方との間に介在する位相シフタをさらに備え、
   前記位相シフタは、前記第２のマッハツェンダー型光変調器から出力された前記第２の変調光の位相をシフトさせる、半導体光集積素子。
4. 請求項２または３に記載の半導体光集積素子であって、
   前記第１の半導体光増幅器で増幅された光を第７分波光と第８分波光とに分離し、前記第７分波光および前記第８分波光の少なくとも一方を変調した後に合波して第３の変調光を生成する第３のマッハツェンダー型光変調器と、
   前記第３のマッハツェンダー型光変調器から出力された前記第３の変調光を増幅する第２の半導体光増幅器と、
   をさらに備え、
   前記第３のマッハツェンダー型光変調器および前記第２の半導体光増幅器が前記半導体基板上に形成されており、
   前記第３のマッハツェンダー型光変調器は、前記第２の半導体光増幅器の非飽和利得の１／２から前記非飽和利得までの範囲内の光挿入損失を発生させる導波路構造を有する、半導体光集積素子。
5. 請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の半導体光集積素子であって、前記入力光を生成するレーザ光源をさらに備え、前記レーザ光源は前記半導体基板上に形成されている、半導体光集積素子。
6. 請求項５に記載の半導体光集積素子であって、前記レーザ光源は分布帰還型のレーザ光源である、半導体光集積素子。
7. 請求項５に記載の半導体光集積素子であって、前記レーザ光源は分布ブラッグ反射型のレーザ光源である、半導体光集積素子。
8. 請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の半導体光集積素子であって、光共振器と、この光共振器内に配置された利得媒質とを含み、前記利得媒質を励起して前記入力光を生成する外部共振器型のレーザ光源をさらに備え、
   前記光共振器は、
   前記半導体基板上に形成された内部反射鏡と、
   前記半導体基板の外部の領域に配置された外部反射鏡と、
   を含む、半導体光集積素子。
9. 請求項８に記載の半導体光集積素子であって、前記内部反射鏡は、前記半導体基板上に形成された導波路構造をドライエッチングすることにより形成された溝の側面で構成されている、半導体光集積素子。
10. 請求項１から９のうちのいずれか１項に記載の半導体光集積素子を内蔵する光通信装置。

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